港口水工建筑物.doc

港口水工建筑物实验指导书2重庆交通大学河海学院二00六年十二月目 录前 言2实验一 海港总体模型演示实验3实验二 波浪对直立式防波堤的作用7实验三 波浪对斜坡式防波堤的作用10实验四 波浪对单突堤等的绕射、折射和反射试验12实验五 波浪对圆柱的作用力实验14参考文献：17前 言 水力学、港口工程、海岸动力学三门课是水港专业本科、专科教学必开课，实验教学是课堂教学必要补充和深化，海岸动力学波浪方面的实验是对波浪理论、波浪特性的进一步理解，增强学生的感性认识，了解波浪与各种建筑物的相互作用，进一步巩固课堂所学的专业理论通过实验使学生掌握实验设计的基本原理和实验的主要内容及实验手段，学会使用常规的仪器设备以及一般的量测原理并对所学结果结合理论知识进行分析培养学生的综合实验能力和从事港口工程，海岸工程科研的初步能力。本教材是港口、航道及海岸工程专业实验教材中的一本。本港口水工建筑物实验教材适用于港口、航道及海岸工程专业本科生、研究生使用，也可供相关专业及科研试验参考。教材所列实验项目基本上概括了港口水工建筑物课程的主要内容。教材着重介绍了海港总体模型的实验方法，波浪对直立式、斜坡式防波堤以及圆形桩的作用特性，还介绍了波浪的折射、绕射和反射特性等。同时，对仪器设备使用和测量技术以及成果整理分析也作了较详细的叙述。本教材由重庆交通大学杨成渝参考原渠时勤实验教材和现行港口水工建筑物教材改编而成。多年以来，许多同志为此作了大量的工作。谨此表示衷心感谢。 杨成渝 二00六年十二月实验一 海港总体模型演示实验1. 实验内容与要求进行外海波浪的模拟,观测波浪绕射情况。要求学生了解港口模型试验的模型设计和波浪的模拟方法；初步掌握实验设备的操作使用和波要素的观测方法；绘制绕射系数图，并与按规范方法得出的绕射图进行比较。2. 目的意义通过实验，使学生初步掌握港口平面模型试验的理论及方法，熟悉本实验的设备，初步掌握资料的分析与整理方法，巩固防波堤布置的有关知识；增加学生对绕射现象的感性认识，检验波浪绕射的计算方法。3. 仪器设备(1) 港池及规则波造波机系统；(2) 浪高仪；(3) 压力与波高采集系统；(4) 测针及各型传感器；(5) 防波堤模型；(6) 港池测桥及人行桥等。4. 实验准备工作 (1) 波浪模型试验一般按重力相似的准则进行模型设计。港区整体试验根据港区的原型资料,结合港池的尺寸和设备条件，适当选取模型比尺(l50)(1/100)。采用直立式单突堤，入射波向线与单突堤轴线的夹角为30。突堤内为平底，用水泥抹光，岸壁布置消浪设施消除反射波。突堤轴线长度视港池大小而定，但应满足如下要求；突堤堤头距造波板的距离取7倍波长以上，堤头距一側导墙l2倍波长，距另一側导墙不小于5倍波长。 (2) 试验前，先进行调试原始波试验，调整好入射波高和波周期。 (3) 港外波浪测点位于口门外l2倍波长处，在同一波峰线上布置23个测点，测量入射波高。 港内波浪测点主要布置在堤后波影区内，宜按坐标网布置，点间距离取0.51.0倍波长；另外可在波影区外布置若干测点。港池内防波堤和测点布置见图1-1。 图 1-1港池内防波堤和测点布置.5. 实验步骤(1) 试验前由指导教师介绍模型及准备工作情况，了解各型仪器的操作使用方法及注意事项。(2) 布置测点：将装有传感器的测针安置在规定的测点上；(3) 连接仪器：将传感器、数采系统、计算机和打印机等按要求连接；(4) 接通电源、开启主机、进入主菜单；(5) 启动造波机，待波况稍稳定后，正式记录各测点波高。重复进行三次，每次连续记录10个波；(6) 波浪数据采集结束后，观察防波堤外波况和防波堤内波况，注意波蜂线的变化。6. 注意事项(1) 学生在试验前应按实验要求认真复习防波堤布置、波浪绕射以及模型试验等内容，做到心中有数；(2) 应注意边界的消浪效果；(3) 突堤轴线与入射波向线的夹角、测点数可视具体情况自定；(4) 爱护仪器设备，未经教师许可不得任意启动。7. 结果整理与分析(1) 计算各测点的平均波高、入射波高H，取突堤外3个测点波高的平均值。(2) 计算绕射系数，并标记在绕射图上。各测点的绕射系数为：式中：为绕射系数； 为港内测点的实测平均波高值； 为港外来波（入射波）测点的实测平均波高值。(3) 绘制实测的港内绕射图(以红线表示)。(4) 绘制该方案用规范方法计算的绕射图(以兰线表示)。(5) 比较试验方法和规范方法所得的绕射图，若有差别，论述产生差别的原因。 8. 实验报告将实测结果填入表l-l，并对下述问题进行分析：表1-1 实验记录表测 点12345RrL(1) 绘制实测绕射图和计算绕射图，并进行比较分析，提出自己的见解。(2) 试说明本实验中防波堤的防浪效果。如防浪效果不明显，应分析原因并提出改善的措施。实验二 波浪对直立式防波堤的作用1. 实验目的通过实验增加学生对直立式防波堤工作条件的感性认识，了解波浪反射的工程特性。从波浪理论可知，波浪正向入射到光滑不透水直墙时，反射波与入射波的波要素绝对值相等，两者完全迭加产生稳定的立波。立波的特性是波周期T和波长L不变，波高H增加一倍，相应的波压力也大大增加。要求学生学会反射系数和波压力的测量方法，培养学生的实际动手能力和通过实验手段验证波压力计算方法的能力。2. 实验内容(1) 入射波高测量；(2) 立波波高测量及计算反射系数；(3) 观察立波波腹及波节出现的位置并作好记录；(4) 在直立墙上沿高程布置压力抟感器，测量波压力分布。3. 实验要求(1) 掌握立波波高测量方法；(2) 了解立波特性及产生的条件；(3) 掌握反射系数和波压力测量方法；(4) 整理测量成果。4. 实验设备(1) 浪高仪一支；(2) 压力传感器34只；(3) 记录仪一台及记录纸若干；(4) 木板(或塑料板厚lcm)一块；(5) 固定夹4只；(6) 变坡支架一套。5. 实验准备、方法与步骤(1) 准备：要准备一块木(或塑料)板，其宽度应与水槽宽相适应(要能将板放入水槽为准)，作为直立(或斜坡)防波堤，沿高度方向每隔l0 cm钻一个孔作为安装压力传感器用，板的长度要适度(或定于斜坡堤的坡度)。(2) 对浪高仪和压力传感器进行标定，求出各自的标定系致K。(3) 入射波高和立波高测量(见波要素测量)；在没有放置板的条件下，测量入射波高为，然后放入板(直立)再测量立波波高为Hr，然后计算反射系数： (4) 波压力测量：波压力沿水深的分布是不同的：由波浪理论可知，波压力：式中： 水密度； 重力加速度； 波数； 相位角； 静水水深； 水面下深度。但是波压力呈周期性变化，其最大值为波峰时的压力，最小值为波谷时的压力；另一方面波压力又是水面下深度z的函数。6. 成果整理测出不同水深处的波压力值Pz和Pz,然后与计算值比较绘出压力沿水深分布曲线。然后将波压力与静水压力分离出来得到波浪动水压力沿面水深度的分布曲线；用上述方法绘出波峰时和波谷时的波浪动水压力沿水面深度的分布曲线。波高及反射系数: 压力传感器标定系数K1= ，K2= ，K3= ，K4= ，波高仪及传感器标定系数K= ，物理波高 H=Kh； 波周期T= 秒，波长L= 米，波浪过程线波高h= 米。表2-1 波高记录表12345平 均入射波HiHi立波hrHr反射系数Kr=Hr/Hi波压力：波周期T= 秒，波长L= 米，波高H=Kh= 米。表2-2 波压力记录表实验组次12345平 均ZPzPz7. 实验报告(1) 整理实验数据，计算反射系数；(2) 根据实验观测,绘出其波腹、波节的位置图，并说明为什么会如此；(3) 根据实验数据绘制直立堤上波压力分布图；实验三 波浪对斜坡式防波堤的作用1. 实验目的通过实验增加学生对斜坡式防波堤工作条件的感性认识，了解波浪在斜坡式防波堤上的破碎和爬高的工程特性，掌握波浪压力的测试。爬高是波浪到达斜坡式防波堤上最高处与海平面的垂直距离。由波浪理论可知，波浪正向入射到光滑不透水的斜坡式防波堤上时，除有爬高的特性之外，还有部分反射，波压力与直立式防波堤的计算也是不相同的。而且对于不同形式的斜坡式防波堤在不同水深情况下，其爬高特性也不尽相同。要求学生掌握波浪爬高和波压力的测量方法，培养学生的实际动手能力和通过实验手段验证波压力计算方法的能力。2. 实验内容(1) 入射波高测量；(2) 斜坡堤上波浪爬高及斜坡坡度的测量；(3) 观察波浪在斜坡上的越顶现象，并作好记录；(4) 在斜坡堤上沿高程布置压力抟感器，测量波压力分布。3. 实验要求(1) 掌握波高和斜坡上波压力的测量方法；(2) 了解波浪在斜坡上的爬高特性及产生的条件；(3) 掌握斜坡上波浪爬高和波压力的测量方法；(4) 整理测量成果。4. 实验设备(1) 浪高仪一套；(2) 压力传感器34只；(3) 记录仪一台及记录纸若干；(4) 木板斜坡模型(或塑料板厚lcm)一块；(5) 固定夹4只，卷尺两把；(6) 变坡支架一套。5. 实验步骤(1) 将模型架设于波浪槽中，调整好斜坡的坡度，将标定好的压力传感器按一定的规则装在斜坡上并接通仪器。(2) 近破波的作用：水深一定时，调整好波高，使入射波处于未破状态，让波浪在斜坡堤上破碎。观察波浪在斜坡上的破碎和爬高现象，记下波浪到达斜坡面的最高处，根据斜坡角度换算出爬高。此时开启仪器的采样开关，记录斜坡堤上各点波压力的过程线。(3) 远破波的作用：造波机推出较大波陡（0.07）的波浪后，在传播过程中就已破碎，到达斜坡堤时其能量已经大大损耗。观测远破波到达斜坡堤时的爬高，并记录斜坡上各点的波浪压力过程线。主意观察它与近破波的区别，在什么情况下会出现波浪的二次破碎。(4) 加大波高，使其能达到越顶能力。观察越顶周期与波浪周期的关系，记录此时各点的波浪压力过程线。6. 实验报告(1) 整理观测情况和实验数据；(2) 总结不同条件下波浪在斜坡上的爬高；(3) 绘制不同波况时斜坡上波浪压力的分布图；(4) 结合理论课所学内容，思考斜坡式防波堤的设计依据。参考文献：1叙绩青、杨成渝等：“波浪正向入射对斜坡的作用研究”.水动力学研究与进展2005年.No3, 357- .2. 叙绩青、杨成渝等：“波浪斜向入射对斜坡的作用研究”.水动力学研究与进展2006年.No1, 32- .实验四 波浪对单突堤等的绕射、折射和反射试验1. 实验目的波浪遇到障碍物后会发生绕射、折射和反射。这不仅仅是一种物理特性，也是一种重要的工程特性。学习港航工程，就应该理解波浪绕射、折射和反射的规律。本实验的目的就是要观察波浪绕射、折射和反射，分析其产生的机理和规律。寻找到控制掩护区波高的方法。2. 实验内容(1) 观察规则波的平面传播；(2) 观察波浪的绕射、折射和反射现象；(3) 分析绕射、折射和反射现象产生的机理和规律；(4) 测量绕射区的波高和绕射系数；(5) 若来波(外海波)高为Hi，通过试验，寻找控制掩护区波高的方法，并将码头前沿的波高控制在Hi以内。3. 设备(1) 30米20米港池及其相关设备；(2) 直尺、秒表；(3) 波高计、记录仪、传感器；(4) 教学模具(型)；(5) 折射地形、消波斜坡等。4. 实验步骤(1) 首先设计实验方案；(2) 将教学模具放置到港池中适当的位置；(3) 铺设折射地形(要有利于观察反射现象)；(4) 铺设好消波斜坡，尽量减少港池中反射干扰；(5) 测量港池中静水深度；(6) 确定波浪周期后，开机造波；(7) 观察波浪的绕射、折射和反射现象；(8) 改变造波周期，继续观察港池中发生的各种现象；(9) 分析各种现象产生的机理和规律；(10) 测量绕射区内各点的绕射波高和绕射系数；(11) 假定外海来波高为2.O米，如何设置防波堤，才能将码头前沿的波高控制在0.5米以内?通过实验找到适当的方案。折射地形造 波 机消 能 坡突 堤消 能 坡 靠泊区图4-1 平面布置图5. 实验报告(1) 首先说明实验方案，整理实验数据；(2) 分析波浪的绕射、折射和反射的规律和物理机制；(3) 说明控制掩护区波高的方法。实验五 波浪对圆柱的作用力实验1. 实验目的圆柱是近海地区最常见的近、离岸结构物之一。通过线性波对圆柱的作用实验，让学生建立起波浪对结构物作用的基本概念，并了解测量结构物上波浪力的方法和过程，以及对测量结果的处理。在此实验中，应注意波要素、惯性力和阻力三者之间的相互关系。2. 实验内容(1) 了解波浪力测量的工作原理；(2) 了解波浪力记录的要求和特点；(3) 了解圆柱受力的特点和波浪力测量手段；(4) 分析实验结果。3. 实验设备(1) 圆柱模型（塑料或铝合金）一根；(2) 波高仪一套；(3) 桩力传感器一套；(4) 固定支座一套；(5) 固定夹若干；(6) 量测系统一套；(7) 圆柱固定器两个。4. 实验准备、方法与步骤4.1实验准备将水槽充水，调整适当的水深；然后将长50cm，直径5cm的圆柱装在固定支座上，装好相应的传感器，接通量测系统；将整个模型总成安装在水槽上并固定好，再将波高仪传感器固定在圆柱的同一断面上。然后开动造波机造波。4.2 实验当波浪作用在圆柱上时，要仔细观察圆柱迎波面上的溅高和离波向的涡流；同时开起波高仪和量测系统的采样开关，记录波浪和作用力的过程线，记录1020个周期。并仔细作好各种标记和观测记录。可采用相同或不相同的波要素重复进行35次实验，将各次的观测结果填表记录。4.3 作用力的计算根据观测记录求出波浪要素和波浪对圆柱的作用力填入下表。波浪对圆柱的作用力由惯性力Fg和阻力（拖曳力）Fz两部分组成，可用Morison方程进行计算，计算结果也添入下表。该方程为：，式中：Cg 质量系数； Cz